数字孪生技术在模拟训练系统中的应用研究

摘 要

关键词：数字孪生；模拟训练；军事训练；仿真建模；联合训练；系统设计；军事应用

军事训练作为战斗力生成和提高的基本途径，为军事斗争准备提供最直接手段，并成为提高履行使命任务能力的重要保障［1］。未来战争信息化、智能化以及无人化的发展，向军事训练提出更高的要求。在此要求下，全军进一步掀起实战化训练的热潮［2］，模拟训练也成为当前各国军队提升实战化能力的一种重要训练方式［3］。物联网、云计算、大数据等新一代信息技术和人工智能技术的快速发展为各行业发展带来了新的机遇，数字孪生、平行仿真、元宇宙等新概念也为军事训练提供了更多的选择，并在国内外工业界和学术界得到广泛关注［1，4］。

与传统图上推演、实兵实装演习等训练方式方法相比，模拟训练通过模拟实战对抗、实景战场、体系兵力等综合要素，具备效费比高、安全性好、易于组织实施等优点，并且更契合部队向信息化、智能化升级转型的趋势［3，5］。未来战争的发展方向愈发趋向于联合作战与体系作战，而构建满足未来作战需求的模拟训练系统已成为世界各国的研究热点［6］。

与此同时，国内诸多专家学者围绕模拟训练，针对相关武器装备系统的数字孪生展开研究，并开展系统研制。周芳等［7］与王旭东等［8］开展作战指挥数字孪生系统架构构建，为物理战场资源配置、行动方案迭代优化以及辅助决策等提供了重要支撑；孙智勇等［1］以防空反导军事训练需求为牵引，开展了面向训练能力的防空反导数字孪生系统研究；周军华等［4］针对武器系统数字孪生需求，展开了研究实践的必要性论证，并设计武器系统数字孪生定义及组成；刘秀罗等［9］初步建立了发射场数字孪生体的技术指导框架，形成了面向发射场全寿命周期的数字孪生体建设；杨少龙等［10］基于船舶行业数字孪生需求，构建了船舶数字孪生系统架构，探讨数字孪生在船舶全生命周期的应用展望；刘剑超等［11］利用真实、虚拟和构造（LVC）技术，构建了舰载机作战指挥体系和兵力体系，开展混合仿真系统设计，为海军舰载机部队开展作战技能训练提供了支持；邓烨等［12］提出了面向数字孪生战场构建的四种体系框架等；向杨蕊等［13］通过数字孪生体概念的引入，开展了以构建完整作战体系数字镜像为目标的数字孪生靶场总体框架建设；毛子泉等［14］则总结了当前虚实结合仿真现状，提出未来的技术发展方向。

当前模拟训练系统存在综合性、体系性不强，训练真实程度不高，资源消耗较大等问题。为提高模拟训练过程中的真实性，减少实装训练所带来的装备损耗问题，本文利用数字孪生技术理念，开展模拟训练系统设计，实现训练要素在虚拟空间中的近乎真实呈现，推动实装训练与模拟训练优点的充分结合，在独立训练、联合训练、战法验证等多模式训练中，摆脱地理时空、兵力规模、蓝军生成等约束条件与限制，为提高受训人员能力水平，发挥模拟训练效能提供有力支撑。

模拟训练系统主要利用计算机相关先进技术，基于现代仿真理论和技术，开展计算机仿真系统建设，从而实现武器装备操作使用训练、军事作战演习及战法研究等。系统主要包括载体操纵型训练系统、过程控制性训练系统以及博弈决策性训练系统三大类，分别针对驾驶装备训练、装备使用过程训练、指挥训练展开模拟训练系统建设［5］。

美国作为世界上最早开展模拟训练技术研究和应用的国家［6］，其围绕机构设置、管理体制、系统建设等多方面建立了较为完善的体系，实现对其模拟训练工作的加强。美军模拟训练系统的最大特点主要体现在统一顶层规划与体制、模拟训练装备体系化发展、注重虚拟现实等新技术应用等方面［15］。与此同时，俄罗斯作为世界模拟训练“大国”和“强国”，掌握约占世界半数模拟训练设备，并在其先进武器装备中几乎均配备相应的模拟训练系统，例如C-300系列地空导弹系统所配备的“音色-M”通用模拟训练系统等［5］。英、法、德等西欧国家将发展模拟训练系统作为参加军备竞赛重要方面，致使模拟训练技术及应用也处于世界前列，并形成了一系列相关产品［6］。

数字孪生技术方面，国外率先在国防军工领域开展相关应用研究。NASA和美国空军于2012年开展相关合作，并共同提出未来飞行器的数字孪生范例；美国海军于2019年构建宙斯盾系统的数字孪生，实现了美国海军武器系统形态以及升级模式的重大变革，成为数字孪生技术应用于复杂系统的里程碑事件［16］。美国国防部在《数字工程战略》中指出，旨在建立数字工程生态系统，将国防部以文档为中心的装备采办流程或决策活动转变为以数字模型为中心，而其中“数字孪生”被认为是推动工程实践转型的重点创新技术之一［17］。

对模拟训练系统而言，数字孪生的技术内涵是充分利用战场传感器，基于大数据、虚拟现实（VR）、人工智能等先进技术，对训练过程中各类要素的行为特征、装备性能等进行实时镜像的过程与方法，从而推动模拟训练系统的实时化、真实化构建，实现系统复杂行为的镜像化描述［18-19］。

在研制应用过程中，通过构建数字孪生模拟训练系统，能够实时掌握系统运行状态，利用对各型装备的真实状态反馈，提高模拟训练过程中的实时效能。数字孪生的相关应用概念示意图如图1所示。

与传统模拟训练系统相比，数字孪生模拟训练系统重点解决以下问题：

（1）精细度和真实性不足：数字孪生技术可以创建高度逼真的虚拟环境，模拟真实世界中的各类情境和场景。这种精细度和真实性的提升有助于提高模拟训练效果，使受训人员能够更好地适应真实战场环境。

（2）时间与经济成本较高：传统的模拟训练系统通常需要大量的物理资源和时间来建立和维护，比如建造真实的训练场地、购买设备等。而数字孪生模拟训练系统可以通过虚拟技术实现真实场景构建，极大减少时间与经济成本上的投入。

（3）训练环境安全性不足：部分条件下，传统的模拟训练可能存在安全隐患，而数字孪生模拟训练系统的构建可以使相关训练在虚拟环境中进行，避免真实场景中的危险情境，从而提高了训练的安全性。

（4）个性化与定制化欠缺：数字孪生技术使得模拟训练系统可以更加个性化和可定制化，可以根据训练者的需求和水平进行调整和优化，提供更加贴合个人实际作战需求的培训内容。

因此，数字孪生模拟训练系统构建的必要性主要体现在以下方面：

（1）通过数字孪生模拟训练系统建设，能够适应多层次、多类型、多军兵种的训练需求。针对模拟训练中涉及到的需求多样性，数字孪生依托其虚拟化特点，主要通过模型演化的方式实现训练过程的真实化映射，能够针对复杂多样的训练需求，以低消耗成本来完成训练方式与模式的迅速调整。此外，针对军事训练的实战化要求，数字孪生系统的强近似性与高逼真性能够实现有效支持，并在实体模型基础上，对环境、过程、训练、评估、保障等进行综合建模，实现模拟训练系统实战化要求的充分满足。

（2）数字孪生能够满足模拟训练系统的智能化需求。一个完整的模拟训练系统，需要充分结合模型、数据、算法等要素，共同构建训练支撑环境。而数字孪生强调成长，重视模型与系统的综合作用，作为新一代信息技术与人工智能技术背景下发展的建模手段，能够对模型的不断演进起到支持作用。

（3）模拟训练系统的建设需要围绕模型组织与模型管理进行综合统筹。数字孪生强调模型集 合的统一源头和有限主线，能够针对模拟训练系统中涉及的多样化物理实体与真实系统构建映射关系，形成虚实融合的建模仿真综合应用新模式。

（4）数字孪生模拟训练系统建设有助于实现系统的精准映射与体系能力智能优化。数字孪生的本质为物理域与信息域的精准映射，通过在虚拟域中对物理实体的状态监控与能力模拟，助数据驱动模型进一步开发与优化仿真分析算法。此外，数字孪生通过装备实验与人在回路的模拟对抗性训练，实现了装备体系的持续运行与能力精准评估，从而推动体系能力的迭代优化。

数字孪生模拟训练系统从系统概述、系统特点、系统功能组成、系统架构设计、关键技术分析等方面开展了探索性设计，为后续相关系统的开发与组织应用提供设计思路与参考依据。

数字孪生模拟训练系统主要针对军事模拟训练需要，通过数字孪生平台，依托环境、兵力等孪生模型数据，实现装备实体与孪生模型的虚实映射，通过有线/无线的网络连接方式，系统能够支持从专业级技术科目训练到体系化联合对抗训练的多层次训练需求，系统概念图如图2所示。

传统模拟训练系统主要包括“导、控、裁、评、管”五大部分内容，综合实现对指挥模拟训练过程的模拟与能力训练。本系统在此基础上，以综合支撑服务平台为基座，创新打造战场环境、武器装备等孪生建模系统，实现模拟训练场景与对象的充分模拟，此外，系统利用数字孪生联合训练分系统，引接实装数据，实现真实数据与虚拟场景的充分映射，从而使得模拟训练更加贴近实战化，为提高军事训练效益提供充分支撑。

数字孪生模拟训练系统主要包括综合支撑服务平台、战场环境建模与孪生分系统、武器装备建模与孪生分系统、想定能力支撑分系统、指控能力支撑分系统、导调评估支撑分系统、数字孪生联合训练分系统共七部分，如图3所示。

图3 数字孪生模拟训练系统组成

（1）综合支撑服务平台。

维 权执法综合支撑服务平台是一个全方位、多元化的软件服务架构，旨在提供一系列完善的支撑服务，包括基础支撑、信息支持、模拟仿真与数字孪生等服务。该平台的目标是提高工作效率、简化操作流程，同时提供高质量的孪生平台与环境。

（2）战场环境建模与孪生分系统。

根据训练需求和对抗场景的需要，提供虚拟战场的战场环境建模与孪生能力，包括目标环境（目标数量、目标特性、目标任务等）、自然环境、地理环境、电磁环境、精细化场景等。

（3）武器装备建模与孪生分系统。

武器装备建模与孪生分系统支持基于战场环境和一定的交战规则，生成兵力和装备，模拟战斗武器装备能力的变化和发展，主要包括兵力孪生、装备孪生、交战规则孪生等内容。

（4）想定能力支撑分系统。

想定能力支撑分系统包括想定编辑、想定管理、想定识别和规则引擎等子系统，用于支撑用户对想定案例进行统一组织和管理。

（5）指控能力支撑分系统。

指控能力支撑分系统是用于支持指挥与控制体系化训练能力，提供指挥体系构建、指挥决策、侦察情报、态势综合、指挥保障、后装保障、政治工作等指控综合能力支撑。

（6）导调评估支撑分系统。

导调评估支撑分系统根据特定的训练目标和要求，通过导调控制、进程控制、交战裁决和复盘评估等环节来对整体训练过程进行导调与评估。

（7）数字孪生联合训练分系统。

数字孪生联合训练分系统主要结合实装孪生数据，基于任务筹划、红蓝对抗等功能，开展多角色、多岗位协同编组训练，对模拟训练内容进行多类有机融合，使得模拟训练更加贴近实战化军事训练需求。根据联合训练过程的顺序，可分为实装接入、训练准备、训练实施和训练评估等阶段。

数字孪生模拟训练系统采用“平台+插件”软件结构，实现系统资源、数据、功能、应用等各方面按需裁切与灵活扩展，主要分为设施层、数据层、平台层、功能层和应用层五部分，系统架构图如图4所示。

（1）设施层。

包括计算机及网络系统、显示系统、传输控制及中控系统、音频系统、监控系统及会议系统、控制台及配套设施、VR设备、数字孪生系统硬件等支撑数字孪生模拟训练系统运行的相关设备设施等，在不同的需求下，根据现实情况进行设备配置。

（2）数据层。

数据层主要包括提供支撑系统运行的标准规范数据、业务知识数据、训练管理数据、孪生装备数据、孪生兵力数据、战场环境数据、交战规则数据等，通过结构化、半结构化、非结构化数据库等形式进行统一存储与管理。

（3）平台层。

平台层主要指综合支撑平台，从基础层面为系统运行提供必要的功能支撑，为实训室提供基础支撑保障，包括基础支撑、信息支持、模拟仿真与数字孪生等。

（4）功能层。

功能层主要包括战场环境建模与孪生分系统、武器装备建模与孪生分系统、想定能力支撑分系统、指控能力支撑分系统、导调评估支撑分系统、数字孪生联合训练分系统等系统功能，主要基于模拟训练总体需求，考虑实际应用需要，建立具有针对性的功能合集。

（5）应用层。

应用层主要包括指挥训练、科目训练、联合训练、战法验证训练等应用模式。

（1）多线程并行离散仿真引擎驱动技术。数字孪生模拟训练系统作为大型复杂系统，涉及战场要素繁多，层级嵌套复杂，分布范围广，其内部模型、资源、数据、业务逻辑等均十分复杂。为保障实战化训练需求，满足多用户、多目标同时开展军事训练，本文通过设计高性能、稳定可靠的仿真运行策略，采用多线程并行离散仿真引擎驱动技术，实现系统仿真计算能力和运行性能的极大提升。

高性能并行仿真机制：针对大规模、长时间的军事训练需求，系统采用多中央处理器（CPU）多核架构，利用多线程并行计算技术与线程安全的模型构建技术，保障CPU计算资源的充分有效使用，实现计算机训练所需开销的最大限度降低，极大幅度提高后台运行效率。

多源数据时空一致性处理机制：由于交战双方装备类型多、规模大，涉及的数据采集项繁杂，系统基于统一时序标准，增设时空管理模块，保障多源数据交汇融合的时空一致性需求，实现实装采集数据的实时传送和使用。

智能数据推送机制：为减轻分布式仿真对网络带宽的压力，系统通过数据中继服务、组播技术及远程对象同步机制，实现系统之间的数据智能推送。

高效分布数据传输机制：为最小化数据传输对分布式网络带来的压力，系统通过符号注册机制以及数据压缩技术，极大程度提升数字孪生模拟训练系统的数据传输效率。

（2）孪生仿真模型快速开发与应用技术。数字孪生模拟训练系统涉及模型种类、数量众多，且会根据训练需求动态调整和扩展，目前广泛使用的一体化建模体系，其模型逻辑和参数固化在模型代码中，无法达到灵活组配的要求，因此需要采用“高内聚、松耦合、组件化和参数化”的建模思路，在统一的业务接口下，参照离散事件系统规范（DEVS）中的原子模型和耦合模型范式，开发组件模型，在训练期可以通过灵活组配的方式快速生成实体模型，以适应模型的多样化快速调整需求。

组件化孪生建模技术：仿真模型种类繁多，为实现模型的可重用与可组合，系统依据战场要素实体的各功能元件的组成以及重用组合要求，开展模型拆分与组件模型构建，并依托模型的通用及专用组件，实现装备实体组装，在推演过程中，基于统一的想定，开展仿真运行。

规则框架扩展技术：战场空间环境要素多，变化复杂，为适应其特点，系统针对规则模型，通过规则参数配置以及参数化模型建立，实现规则拆分，在遵循一致的规则模型构建的标准与约束下，利用行为树建模技术，实现规则逻辑的灵活配置，实现规则框架的扩展与编辑。

（3）高精度孪生场景快速构建技术。高精度孪生场景快速构建技术主要基于计算机图形学和人工智能技术，开展三维模型构建与孪生场景渲染，实现高度精确的微观孪生场景的快速构建，从而为受训者提供真实训练场景。

高精度模型构建技术：针对地形、建筑、场景、人员、装备、工具等模型与场景构建需求，系统提供高精度三维模型与孪生场景的快速构建，采用网络模型、点云模型等方式，针对模型几何细节与纹理质量，完成高精度模型的表示与存储，为受训者提供与真实场景相似的视觉效果。

孪生微观场景模拟技术：系统利用模块化与可重用性的设计思想，开展场景交互等孪生微观尺度的场景与行为模拟，通过光栅化、着色器优化、阴影处理等渲染算法优化，实现真实光照效果与材质表现的综合模拟。

（4）基于数字孪生的真实场景显示优化技术。一个典型的数字孪生真实场景的绘制过程一般包含三个部分：事件遍历、更新遍历、渲染遍历，三个遍历的累计时长决定了完成一帧绘制所需时间，其中任何一个步骤延迟都会造成整体帧率下降，甚至会因为帧率不足造成系统卡顿。在基于真实场景的态势显示中，数据流驱动的目标经常需要位置发生变化，从而引起更新遍历发生，当目标数量急剧增多时，这一过程的性能瓶颈往往造成整个态势显示性能低下。

本文面向真实地理环境与气象水文环境等数字孪生场景的构建需求，为了满足不同训练场景中各级用户掌握敌我双方兵力布设、来袭目标、敌情威胁等战场态势，辅助决策的精细化保障需求，通过建立专项数据实时处理和层级归档技术体系，研究海量专项数据显示优化技术，开展专项数据的引接、显示、分析方面的技术创新，实现数据显示应用的极大优化。通过该技术实现，能够提高二三维态势显示的效率，提高同屏显示目标数量和刷新流畅度，提升推演环境及场景的真实感和表现力，同时满足实时显示、历史回放、统计分析等对态势数据颗粒度的不同需求，增强不同视图下的专项数据应用模式和可视化表现，可为实现符合各类用户的数字孪生场景数据精细化保障提供技术支撑。

利用数字孪生模拟训练系统开展军事训练，能够极大程度提高模拟训练的真实化程度，贴近实战化训练要求，且相比于实装训练而言，装备耗损更低，训练组织实施更加高效便捷。数字孪生模拟训练系统能够支撑指挥流程训练、军事科目训练、体系联合训练、战法训法验证等多种应用模式。

（1）指挥流程训练。利用数字孪生模拟训练系统，能够实现多层次、多军兵种、多型号装备模型孪生构建，并依托综合孪生环境，开展沉浸式想定、作战筹划、导调控制、推演评估等指挥训练验证，并能够与实装数据结合，根据实际作战进程开展实装预演，并利用红蓝双方指挥流程，开展人在回路的演示推演与试验验证，实现综合指挥训练，提高指挥对抗训练效率及实战化水平。

（2）军事科目训练。针对学员、指挥员、参谋人员等相关用户在军事训练中的各科目训练需求，依托数字孪生模拟训练系统，能够开展：1）航空器、航天器、航海器等各类载体操纵型设备科目训练；2）装备作战、训练、保障、维护维修等装备过程控制科目训练；3）作战指挥筹划、指挥控制、作战方案评估等指挥博弈科目训练。

（3）体系联合训练。数字孪生模拟训练系统能够通过装备实体与孪生装备结合的方式，构建体系化联合训练场景，依托虚拟兵力与构造兵力，结合实装兵力，开展LVC训练环境构建，支撑虚实结合、远程异地LVC训练。依托数字孪生技术，极大提升体系化联合训练的训练效果，使之贴近实装训练，且有效降低损耗。

（4）战法训法验证。利用数字孪生模拟训练系统，能够有效保障并构建基于实装的战法验证环境，通过虚拟实验、仿真检验，充分验证战法设计的可行性、作战行动的有效性；并结合演训活动开展技术性能检测，通过对武器装备和信息系统的聚能与释能实际情况分析，充分检验技术应用的功效和缺陷所在。

数字孪生作为将现实环境、装备、兵力等作战要素进行虚拟化映射的技术手段，其在军事模拟训练系统的应用，将会推动系统朝着更加贴近实装训练需求方向不断发展，持续不断发挥相关作用及效益：

（1）进一步推动现实系统能力建设。

数字孪生模拟训练系统旨在构建一个虚拟空间，与现实系统完全一致的孪生模拟训练系统，通过对“虚拟”系统的研究，实现对现实系统的精准预测与控制，从而提升模拟训练系统能力建设的智能化水平。

（2）进一步开拓军事训练技术创新。

数字孪生技术呈现了数字化技术在军事领域的巨大潜力。通过数字孪生技术，可以将复杂的实战情景模拟到虚拟环境中，实现了在实际场景下无法实现的多种训练模式和演练，从而为军事训练注入了新的活力。此外，数字孪生模拟训练系统的建设在提高军事训练效率方面体现出巨大的技术创新，数字孪生理念推动了训练灵活性、可行性的极大提升，并逐步摆脱训练场地、资源等的限制，并在此基础上开发出更加先进、更加逼真的训练系统，使得训练更加贴近实战，更加有效地提升训练效率。

（3）进一步提高实战教学训练水平。

数字孪生模拟训练系统充分发挥指挥流程训练、军事科目训练、体系联合训练、战法训法验证的集成效用，实现整体训练保障条件改善，为组织全流程、全要素、近实战的军事模拟训练提供支撑，将有效弥补和改善军事人才培养中指挥筹划、作战推演、分析评估等方面的不足，大幅提升实战化模训教学水平，为提升学员军事专业能力提供有力支撑。

（4）进一步提升军事人才培养质量。

系统利用大数据、数字孪生、模拟仿真等先进技术，支撑模拟训练教学人才培训任务，保障各级、各类人员开展模拟训练，支撑相关课程实践教学和演训演练任务，对于健全完善与实际作战水平生成模式相适应的教学训练模式、确定优化模拟训练教学人才培养内容体系结构、创新适应各层次学员培养模式、发展精细化教育训练管理考核手段具有重要意义。

以数字孪生为技术支撑的模拟训练系统，能够为受训者提供一个完整、逼真且贴近实战的训练环境和平台，能够有效提升军事训练的智能化水平与综合训练效率。本文探索构建基于数字孪生的军事模拟训练系统应用的总体框架与系统建设思路，并针对其应用模式展开讨论，为后续相关系统的开发与组织应用提供了参考依据。